Важов В.Ф., Лавринович В.А., Лопаткин С.А. Техника высоких напряжений

Подождите немного. Документ загружается.

Кафедра ТЭВН ЭЛТИ

трос

провод

Рис. 4.4. Зона защиты тросового молниеотвода

Грозозащита подстанций, кроме защиты от прямых ударов

молнии, должна включать в себя следующие виды защит:

1) от перекрытий при ударах молнии в заземленные конструк-

ции подстанций, т.е. от обратных перекрытий с заземленных элементов

на токоведущие части оборудования;

2) от волн, приходящих с линии.

Для выполнения первого требования необходимо сопротивле-

ние заземления

подстанции делать малым. Для напряжения выше

1000 В сопротивление заземления подстанции

≈ 0,5 Ом. Уменьшение

наиболее эффективный путь защиты от обратных перекрытий.

Для выполнения второго требования применяются вентильные

разрядники (РВ) и ограничители перенапряжения (ОПН). Вентильный

разрядник обладает пологой вольт-секундной характеристикой (ВСХ).

Это позволяет ему защищать оборудование в широком диапазоне изме-

нений длин волн, набегающих с линии (рис. 4.5).

оборудование

РВ

защитный

интервал

Рис. 4.5. Вид вольт-секундных характеристик защищаемого объ-

екта и РВ

Для эффективной защиты необходимо, чтобы:

1) остающееся напряжение на рабочем сопротивлении не пре-

вышало допустимого;

В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин

2) крутизна набегающей на подстанцию волны была ограни-

ченной.

Для выполнения этих условий все линии, подходящие и отхо-

дящие от подстанции, оборудуются тросовой защитой длиной 2-3 км —

защитные подходы. Углы защиты выполняют менее 20º и даже отрица-

тельные. Наличие защищенных подходов исключает прямой удар мол-

нии в провод, что уменьшает токи через

РВ и, следовательно, остаю-

щееся напряжение на рабочем сопротивлении РВ.

При движении волны по проводу с линии в защищенном под-

ходе возникает интенсивное коронирование, что сглаживает фронт вол-

ны (уменьшает крутизну импульса) и уменьшает амплитуду напряже-

ния.

4.3.3. Грозоупорность объектов (ВЛ)

Воздушные линии электропередачи из-за большой протяжен-

ности поражаются наиболее часто. Поэтому нарушение работы энерго-

систем вызывается в основном нарушением изоляции ВЛ.

При расчетах грозоупорности ВЛ вводится понятие об уровне

грозоупорности. Уровень грозоупорности оценивается максимальной

амплитудой тока молнии I

и его крутизной а, при которых еще не про-

исходит нарушения изоляции линии (крутизна

, где

t — дли-

тельность фронта волны тока).

Показателем грозоупорности

считают вероятное число лет ра-

боты установки без грозовых отключений

откл

M =

где

М – число лет работу без грозовых отключений; N

откл

— ожидаемое

число случаев возникновения опасных грозовых перенапряжений в год.

Например, для ВЛ

,109,0

перд

откл

η⋅υ⋅⋅⋅⋅=

−

nLhN

где

h — средняя высота подвеса троса или провода; L — длина линии; n

— число грозовых дней в году;

пер

— вероятность перекрытия изоля-

ции ВЛ при ударе молнии;

η — вероятность перехода импульсного пе-

рекрытия в силовую дугу.

Аналогично подсчитывается и грозоупорность других объек-

тов (подстанций).

Кафедра ТЭВН ЭЛТИ

4.4. Средства защиты от перенапряжений

В сетях до 35 кВ часто для защиты используют открытые раз-

рядные промежутки — защитные разрядники ("рога") и трубчатые раз-

рядники. Срабатывание таких разрядников вызывает резкий спад на-

пряжения, возникновение переходных процессов и опасных перенапря-

жений на продольной изоляции высоковольтных устройств (трансфор-

маторы, генераторы, реакторы и т.д. Кроме этого, такие разрядники

имеют

крутую вольт-секундную характеристику (ВСХ), т.к. форма элек-

трического поля резконеоднородная. Это не позволяет осуществлять

защиту объектов в области коротких времен воздействия напряжения

(грозовые перенапряжения) (рис 4.6).

Рис. 4.6. Вольт-секундная характеристика защищаемой изоляции

(1) и искрового промежутка с резконеоднородным полем (2) и однородным

полем (3)

Одним из лучших разрядников такого типа является трубча-

тый разрядник (РТ), рис. 4.7.

ВН

Рис. 4.7. Устройство трубчатого разрядника: S1 — основной про-

межуток; S2 — внешний искровой промежуток; 1 — диэлектрическая труба; 2 —

стержневой электрод; 3 — открытый электрод

Электроды искрового промежутка помещаются в диэлектриче-

скую трубу 1 из газогенерирующего материала (например, винипласт).

В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин

Основной промежуток —

обеспечивает дугогашение. Промежуток S

служит для отделения газогенерирующей трубки от сети, чтобы избе-

жать ее разложения от токов утечки. При появлении перенапряжений

пробивается

и S

. Через них протекает импульсный ток и сопровож-

дающий ток промышленной частоты. Температура повышается, проис-

ходит интенсивное газовыделение. Давление повышается до десятков

атмосфер. Газ выходит через открытый электрод 3. Создается продоль-

ное дутье. Дуга выдувается наружу. При переходе тока через 0 дуга гас-

нет. Из-за недостатков (см. ВСХ) РТ не применяются для защиты

ответ-

ственного оборудования.

Наиболее широкое распространение в сетях высокого напря-

жения получили вентильные разрядники (РВ), которые имеют пологую

ВСХ. Они состоят из нескольких искровых промежутков (ИП), вклю-

ченных последовательно, последовательных нелинейных рабочих со-

противлений (НС) и шунтирующих сопротивлений (

ИП служат для отделения НС от постоянного воздействия ра-

бочего напряжения и протекающего через него тока, который разрушает

НС. НС служит для ограничения сопровождающего тока до величины,

необходимой для гашения дуги.

служит для выравнивания распреде-

ления напряжения по элементарным разрядным промежуткам с целью

исключения ложного срабатывания разрядника.

РВ ограничивает перенапряжения и гасит дугу сопровождаю-

щего тока без отключения сети или подстанции.

После гашения дуги разрядник возвращается в исходное со-

стояние и готов к повторной работе. Число срабатываний РВ 20 или 50.

В простейших

РВ (типа РВС, РВП) ток гашения дуги составля-

ет 80 А. Более современные РВ имеют ток гашения дуги 250 А.

Матералами НС являются вилит и тервит. Вольт-амперная ха-

рактеристика их описывается выражением

⋅= IKU

где

α - коэффициент вентильности; К – постоянная.

Для вилита

α = 0,11÷0,2; для тервита α = 0,15÷0,25.

РВ делятся на 4 группы. Наилучшими защитными свойствами

обладают РВ I группы, но и более дорогие.

IV группа — РВП (подстанционные),

III группа — РВС (станционные),

II группа — РВМ (магнито-вентильные), РВМГ (магнито-

вентильные, грозовые),

I группа — РВТ (токоограничивающие) РВРД (с

растягивающейся дугой).

Кафедра ТЭВН ЭЛТИ

Существенное улучшение защитных характеристик может

быть достигнуто при отказе от использования ИП. Для этого требуются

материалы с резко нелинейной ВАХ. Этим требованиям отвечает мате-

риал на основе оксида цинка, из которого изготавливают нелинейные

резисторы — варисторы. Защитные устройства на их основе носят на-

звание нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН)

. Коэффици-

ент нелинейности ОПН составляет

α = 0,02÷0,1. ОПН собираются из от-

дельных дисков (варисторов), которые помещаются в герметичный

фарфоровый корпус.

ОПН подключаются непосредственно к сети и заземляются

через регистратор срабатываний. Малый коэффициент нелинейности

ОПН позволяет глубоко ограничивать перенапряжения и применять их

в сетях сверхвысокого и ультравысокого классов напряжений.

4.5. Волновые процессы в линиях

При ПУМ в линию или вблизи нее в землю возникают элек-

тромагнитные волны, распространяющиеся вдоль провода ЛЭП. Атмо-

сферные перенапряжения на линиях и подстанциях определяются дви-

жением и преломлением этих волн. Поэтому анализ волновых процес-

сов при расчетах устройств грозозащиты имеет принципиально важное

значение.

Волна распространяется вдоль линии в воздухе со

скоростью

м/мкс300/ ==ε⋅µ=υ CC — скорость света. (µ — относительная

магнитная проницаемость среды;

ε — диэлектрическая постоянная).

Для воздуха

= 1; ε = 1.

Для кабельных линий

µ = 1; ε ≈ 4.

Следовательно, в кабелях

υ ≈ 0,5 С.

Напряжение и ток волны связаны между собой

— волновое сопротивление.

Волновое сопротивление единичного провода ВЛ

Z = 400÷450 Ом.

Кабельные линии имеют

Z = 50÷100 Ом.

В общем случае волновой процесс в линиях определяется 4-мя

основными параметрами: емкостью

С, индуктивностью L, активным со-

противлением провода

r и активной проводимостью диэлектрика g.

4.5.1. Преломление и отражение волн в узловых точках

Узловой точкой линии называют такую точку, в которой скач-

ком изменяется соотношение между электрическим и магнитным полем,

т. е. изменяется волновое сопротивление линии

В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин

Для расчета преломленных и отраженных волн в узловых точ-

ках используют эквивалентную схему замещения линии с распределен-

ными параметрами на линию с сосредоточенными параметрами по пра-

вилу Петерсена (рис. 4.8).

пад

Рис. 4.8. Эквивалентная схема замещения длинной линии по прави-

лу Петерсена для расчета преломленных и отраженных волн в узловой точке

А: U

пад

— падающая волна напряжения; Z

— волновое сопротивление длинной ли-

нии, по которой падает волна напряжения; Z

— волновое сопротивление длинной

линии после точки неоднородности;

А — узловая точка (место неоднородности);

— напряжение в узловой точке

Рассмотрим несколько примеров отражения и преломления

волн в узловых точках при бесконечной падающей волне с прямоуголь-

ным фронтом.

1. Конец линии (точка А) разомкнут,

= ∞.

падпад

U =⋅

= . (4.3)

Падающая волна напряжения отражается полностью с тем же

знаком и в точке А, на конце линии, напряжение удваивается.

Для волны тока.

= 0, т.е. преломленный ток равен нулю.

i −=−==

отр

. (4.4)

Падающая волна тока отражается от разомкнутого конца пол-

ностью с обратным знаком и ток в линии равен нулю.

2. Линия в конце (точка А) закорочена,

= 0 .

Кафедра ТЭВН ЭЛТИ

Падающая волна напряжения отражается полностью от корот-

козамкнутого конца линии с обратным знаком, напряжение в точке А

равно нулю, а волна тока отражается с тем же знаком — удваивается.

3. Линия в конце (точка А) согласована, т. е.

= Z

= Z.

Нетрудно видеть, что в этом случае падающие волны напря-

жения и тока не испытывают отражений и преломлений при падении на

согласованное

Для системы рис. 4.8

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

−=

отрпадпрел

iii

UUU

(4.5)

прел

отр

пад

;;

==−=

. (4.6)

Определим

прел

и U

отр

через U

пад

Решая совместно (4.5), (4.6), имеем

пад

падпрел

UU α=

⋅= , (4.7)

пад

падотр

UU β=

−

⋅= . (4.8)

где

=α

— коэффициент преломления. (4.9)

−

=β - коэффициент отражения. (4.10)

Отсюда уравнение в (4.5) запишется

падпадпад

UUU β+

. (4.11)

где

α - β=1.

Определим границы изменения

α и β.

1. Предположим, что

= 0, тогда из выражения (4.9) α = 0.

При

=∞ α = 2. Следовательно, α изменяется в диапазоне 0 ≤ α ≤2.

2. Предположим, что

= 0, тогда из выражения (4.10) β = -1.

При

=∞ β = 1. Следовательно, β изменяется в диапазоне -1 ≤ β ≤ +1.

4.5.2. Перенапряжения при несимметричном отключении фаз

При несимметричном отключении фаз линии электропередачи,

когда отключаются одна или две фазы линии, возможно возникновение

В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин

резонансных перенапряжений (феррорезонанс). Такие случаи могут

иметь место при: обрыве одного провода на линии; перегорании плав-

ких вставок; однофазном или двухфазном к.з.; неодновременном от-

ключении фаз выключателя, что может иметь место при пофазном

управлении выключателями и т.д.

В сетях с изолированной нейтралью

при несимметричных

коммутациях могут образоваться резонансные контуры, если к линии

подключены трансформаторы на холостом ходу или мало нагруженные.

В таких контурах и возникают феррорезонансные (ФР)

перенапряжения.

Общая схема, в которой возможно возникновение ФР перена-

пряжений представлена на рис. 4.9.

Источник

Нагрузка

Рис. 4.9. Схема для исследования перенапряжений при несиммет-

ричном отключении фаз:

, В

, С

— фазы источника; А

, В

, С

— фазы нагруз-

ки — трансформатора с изолированной нейтралью; С'

— междуфазные емкости

системы до ключа Р

; С'

— емкости фаз на землю системы до ключа Р

; С

—

междуфазные емкости нагрузки; С

— емкости фаз нагрузки; Р, Р

, Р

— ключи

Ключом Р

условно показано место разрыва фазы А. На схеме

также показаны емкости фаз между собой (

C ) и на землю (

C ) до раз-

рыва (до ключа Р

) и соответствующие емкости С

и С

после разрыва.

Нейтраль системы - источника может быть заземлена или изолирована

(ключ Р

). А нейтраль трансформатора нагрузки должна быть изолиро-

вана. Это характерно для всех линий вплоть до 110 кВ включительно.

(При заземлении нейтрали нагрузки феррорезонанс не возникает

Примем, что в фазе А оборвался провод и упал на землю, т. е.

разомкнем ключ Р

и заземлим фазу А со стороны системы ключом Р.

Тогда схема замещения будет как на рис. 4.10, где треугольник емкостей

заменен на соответствующую ему эквивалентную звезду, а тре-

Кафедра ТЭВН ЭЛТИ

угольником емкостей

можно пренебречь, т. к. они не влияют на

рассматриваемые процессы.

Рис. 4.10. Схема замещения с несимметричной коммутацией (один

провод заземлен)

Ток

в фазе А после обрыва провода будет уходить на землю

через место заземления, а затем через емкость

будет возвращаться

снова на провод к нагрузке. Здесь он разветвляется: часть тока течет че-

рез емкость

, а другая часть через обмотки (индуктивности) L

трансформатора. Весь ток замыкается через фазы

и С

источника. По-

тенциалы нулевых точек трансформатора нагрузки и звезды междуфаз-

ных емкостей

одинаковы.

Поэтому схему рис. 4.10 можно преобразовать в однофазную

(рис. 4.11).

экв

=1,5U

Рис. 4.11. Однофазная схема замещения для схемы по рис. 4.10

В соответствии с этой схемой

экв CL

UU,U

&&&

В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин

100

или

5151

фэкв CL

UU,U,U

&&&&

−== (4.12)

Перенапряжения возникают благодаря прохождению тока че-

рез последовательно соединенные емкости С

и индуктивность 1,5 L

—

колебательный контур. Здесь возникает необходимость определить ве-

личины напряжений на емкости и индуктивности. Уравнение (4.12) мо-

жет быть решено графически. Графическое решение представлено на

рис. 4.12.

ЭКВ

-U

ЭКВ

=I/

1,5U

=f(I)

1,5U

Рис. 4.12. Графическое решение уравнения для колебательного

контура с нелинейной индуктивностью:

1 — изменение напряжения на нелиней-

ной индуктивности (обмотке трансформатора); 2 — изменение напряжения на

емкости; 3 — суммарное изменение напряжения в контуре

Из рис. 4.12 видно, что для схемы рис. 4.11 возможны 3 режи-

ма, соответствующие точкам

а, б, в. Два из этих режимов (точки а и б)

являются индуктивными, а один (точка а) — емкостный. Устойчивыми

являются только два режима — точки

а и б. Режим в точке в неустойчив

и обязательно переходит или в точку

б, или в точку а. Если в схеме пре-

обладает индуктивный режим, то система вернется в точку

б и перена-

пряжений не возникнет. Если преобладает емкостный режим. то возни-

кает гармонический резонанс (феррорезонанс), который приводит к зна-

чительным перенапряжениям (как видно из рис. 4.12), в 3 раза и более.

Кроме этого на трансформаторе нагрузки изменяется порядок чередова-

ния фаз на обратный — это «опрокидывание» чередования фаз. При

этом, если трансформатор имел

моторную нагрузку, то после обрыва

провода (или неодновременной коммутации выключателей) направле-

ние вращения двигателей изменится на обратное.